Page 78 - 《真空与低温》2026年第2期

姚 磊等：微重力下低温贮箱热力学排气系统参数分析及性能优化 197

35 低时的数值：循环泵流量为 0.04 kg·s 、节流阀背压
−1
30 为 10 kPa、排气率为 1%、喷嘴尺寸为 0.005 m。为
25 验 证 该 最 佳 参 数 的 正 确 性， 继 续 模 拟 该 工 况 下
排气量/kg 20 TVS 喷射过程中的压力变化如图 12 所示，由实验
结果可知，最佳工况下的压降时间为
6.85 h，代入
15
式（19）计算该工况下热力学排气系统的排气量，计
10
算结果为 9.864 kg，比已知 16 组正交试验结果中的
5
最小值 9.906 kg 仍小，理论与实际符合，进一步验
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 证了直观分析结果和最佳参数选取的准确性。
Case

22
图 10 16 种不同工况下的排气量
Fig. 10 Exhaust mass under 16 different conditions 20

采用直观分析法对正交试验结果进行处理，通 18
过计算各因素水平下排气量的均值及极差，定量评 排气量均值/kg 16
估并排序循环泵流量、节流阀背压、排气率与喷嘴 14
尺寸四参数对系统性能的影响程度。直观分析结 12
果示于表 4。表中 K i （i=1，2，3，4）表示各参数取第 i 10
水平时，排气量结果的平均值。极差 K Delt 为该参 0.01 0.02 0.03 0.04 10 20 30 40 0.01 0.02 0.03 0.04 0.005 0.010 0.025 0.050
a
循环泵 节流阀 排气率/% 喷嘴尺寸/m
数下 K i 的最大值与最小值之差，反映了该参数对 流量/(kg·s ) 背压/kPa
−1
排气量影响的显著程度。由表可知，排气率的极差
图 11 均值主效应图
最大（K Delta =9.98），表明其对排气量的影响最为显
Fig. 11 Mean main effect on exhaust mass
著； 循 环 泵 流 量 （K Delta =8.31）与 喷 嘴 尺 寸 （K Delta =

6.18）次之；节流阀背压的影响最弱（K Delta =5.32）。 155 Case17：0.04, 10, 1%, 0.005
150
据此得到四参数对排气量的影响权重顺序为：排气 145
率 >循环泵流量 >喷嘴尺寸 >节流阀背压。 140
135
130
压力/kPa
表 4 均值响应表 125
120
Tab. 4 Mean Response values 115
110
p min
循环流量/ 节流阀背压/ 105
水平 K i 排气率/% 喷嘴尺寸/m 100
（kg·s ） kPa
−1
95
0 5 10
1 21.87 13.83 10.67 2.45 时间/h
2 14.12 19.15 17.73 18.63 图 12 最佳参数下的喷射过程压力变化
3 14.97 14.84 15.47 14.95 Fig. 12 Pressure variation during injection process with
optimal parameters
4 13.56 16.71 20.65 18.49

8.31 5.32 9.98 6.18 4 结论
K Delta
影响权重 2 4 1 3 本文以液氢为例，建立了微重力条件下的 TVS
数理模型，并结合正交试验和 FLUENT 软件模拟
如图 11 所示，该图直观展示了循环泵流量、 不同工况下的压降过程。
−5
节流阀背压和排气率、喷嘴尺寸对排气量均值的影 文章模拟了液氢在 10 g 的微重力下的自增压
响，也可由此得出液氢在 0.5 W·m 热负荷下 TVS 过程中压力随时间的变化及最终温度分布。展示
−2
的最佳参数，即四个影响因子均取其排气量均值最 了 16 种不同工况下喷射过程中压力和温度随时间